1、 第十章第十章 三相交流电动机的调速三相交流电动机的调速 交流电机的调速日趋完善，并有取代直流调速的趋势。交流电动机包括同步电动机和异步电动机两种，异步电动机又有鼠笼式和绕线式之分。下面分别讨论之。10.1 10.1 鼠笼式异步电动机调速鼠笼式异步电动机调速 10.1.1 10.1.1 降压调速降压调速 三相异步电动机降压人为机械特性，其同步速 不变，电磁转矩 。对恒转矩负载，其固有特性上的运行点为图 10.1中的 A点，降压后的运行点为 B 点，两点的转速 三相异步电动机降压调速三相异步电动机降压调速1恒转矩负载，恒转矩负载，2风机负载风机负载差极小，实用价值不大。对风机类负载，其负载特性如
2、图 10.1中的曲线 2，降压运行时，其工作点为 C、D、E，虽然对应各点转速差较大，但低速运行时存在过电流和功率因数低的问题。一般鼠笼异步电动机不采用降压调速。10.1.2 10.1.2 变极对数调速变极对数调速 改变定子绕组的接线方式，即可改变其磁极对数，从而实现变极调速。图 10.2（a）为A相绕组的接线方式，与 头尾相连，形成了四个磁极，见图 10.2（b）。如果改变连接方式，将 与 反向串联如图 10.3（a）示，或头尾串联后再反向并联，如图10.3（b），则形成了两个磁极，可见改变每相绕组中一半线圈的电流方向，电动机的极对数便成倍变化，其同步速也成倍变化，对恒转矩负载而言，其运行转
3、速也接近成倍地变化。鼠笼式异步电动机转子的磁极数取决于定子的磁极数，而线绕式异步电动机转子的极对数不能随定子磁极数自行改动，故线绕式异步电动机不采用变极调速。10.1.3 变频调速 三相异步电动机的同步速为 ，改变异步电动机的电源频率 ，就能旋转磁场的同步速，达到调速的目的。10.1.3.1 从基频向下变频调速 三相异步电动机的每相电压 ，在频率下调的同时必须降低电源电压，否则将引起磁路饱和，励磁电流急剧增加，这是不允许的。降低电源电压调速有两种方法。1.降低频率 ，保持 常数，则 常数，是恒磁通控自式。调速过程中，电机的电磁转矩为（10-1）（10-1）为每极气隙磁通为常数时的变频调速机械特
4、性方式，据此方程可推出最大转矩 和对应的转差率 。令 ，即推得 （10-2）再将式（10-2）代入式（10-1）得（10-3）式中 为转子静止时，转子一相绕组漏电感折合值，漏电抗折合值为 。上式表明，调速过程中最大转矩保持不变。最大转矩点的转速降落为 （10-4）在保持 常数的变频调速过程中，由于转速降落为常数，最大转矩又保持不变，故其各条机械特性是平行的，硬度相同，其机械特性见图 10.4。这种调速方法与直流电动机降压调速类似，机械特性较硬，范围宽，稳定性好，属无级调速，平滑性好。且正常负载运行时，s 较小，则 值较小，效率也较高。下面分析恒磁通调速的性质，先分析电磁转矩为常数时，转差率s
5、与电源频率 的关系。当 常数，若 常数时，据式（10-2）有由于 C为常数，又有展开后解得 其中根据 的结论，在 常数，且 T 不变时，转子电流则有 由于调速过程中，故为恒转矩调速方式。2.2.保持保持 常数常数 降低频频率时，保持 常数，则气隙每极磁通 常数，此时电磁转矩为（10-5）其最大转矩 为（10-6）上式表明，保持 常数，降低频率时，最大转矩随之降。当频率接近额定值时，随 的下降，最大电磁转矩 下降不多，当 值较小时，较小，随 的下降，最大电磁转矩 将明显下降。其机械特性如图 10.5所示。与保持 常数的机械特性相比，该特性的低速部分变坏。保持 常数的机械特性也属恒转矩调速，证明从
6、略。10.1.3.2 10.1.3.2 从基频向上的变频调速（弱磁升速）从基频向上的变频调速（弱磁升速）保持 不变升高频率时，电动机的电磁转矩为由于频率较高，都小得多，故 及 分别为 （10-8）因此，频率升高时，减小，也减小，最大转矩对应的转速降落为 常数 （10-9）根据电磁转矩方程式画出的升高电源频率的机械特性如图 10.6所 示。升高频率，保持 不变，近似为恒功率调速方式。证明如下：由于正常运行时，s很小，比 、都大得多，则后两者可忽略。则 运行时，若 保持不变，s 就变化很小，则 常数。综上所述，变频调速有如下特点：（1）从基频向下调速为恒转矩调速方式，从基频向上调速近似 为恒功率调
7、速方式；（2）调速范围大；（3）转速稳定性好；（4）运行时s小，效率高；（5）频率可连续调节，属无级调速。10.1.3.3 10.1.3.3 变频电源变频电源 变频电源都采用大功率可关断半导体器件，目前流行的是绝缘门极双极晶体管IGPT。本节仅介绍用于风机、泵类负载的通用变频器。图 10.7 为低压变频器的主电路，它由整流桥、滤波电容和逆变桥组成。整流桥将三相工频 380 V电压整流成直流电压，再由逆变桥进行脉宽调制控制，输出三相频率和电压可控的正弦交流电压，对异步电动机进行调速。在图 10.7 的电路中，上、下各有一个桥臂导通时输出高电平，而这两个管子关断时输出为低电平，可见，这是一输出电压
8、为两电平的变频器。受 IGPT单管耐压的限制，当电源电压较高（如3kv）时，宜采用图 10.8所示的二极管嵌位式三电平变频器。所谓三电平是指输出波形多了一个台阶，更接近正弦波。对于更高的供电电压，如（6kv或10kv），宜采用多个低压变频器彼此串联的方案。图 10.9为串联 H 桥多电平高压变频器主电路。图 10.9 中，移相变压器的一次侧为三相高压绕组，采用 连接。二次侧为多个彼此独立的三相低压绕组，分别采用延边三角形连接，实现输出电压间的移相功能，用以减小网侧谐波。网侧谐波。图10.9二次侧的变频器由许多功率单元串联组成，每个单元的主电路如图 10.10 所示。每个功率单元都有整流桥、滤波
9、电容和逆变桥组成。其输出电压大小都相同。将各功率单元按图 10.9 彼此串联，则提升了每相电压，再将每相接成Y形，使其线电压增加了 倍。串联 H 桥变频器的输出电压为多电平，谐波小，输出电压更接近正旋波。10.1.4 电磁转差离合器 电磁转差离合器由电枢和磁极两个旋转部分组成，电枢部分与异步电动机连接，是主动部分；磁极部分与机械负载连接，是从动部分。如图 10.11所示。图中电磁转差离合器的磁极部分装有励磁绕组，电枢部分可以是鼠笼绕组，也可是整块磁钢。异步电动机运行时，设其电枢部分随电动机顺时针旋转，转速为 n，如图 10.12 所示。当磁极部分电流为零时，磁极与电枢间无磁的联系，磁极及所连的
10、负载不动，相当于“离”；当磁极部分电流不为零时，两者间就有磁的联系，两者间的相对运动使电枢的鼠笼条中感应电流，对着 N极的电流流出纸面，对着 S 极的电流流入纸面，鼠笼条受力为 f，形成逆时针方向的力矩，按照相对运动，磁极部分受到顺时针方向的力矩，带动机械负载以转速 旋转，相当于“合”。此时机械负载的转速 必定小于电动机转速 n,否则 ，这就是“转差”的含义。电磁离合器的机械特性与异步电动机相似，但空载理想转速为 n而不是 。转速相同时，越大，电磁转矩 T 也越大；若转矩相同，越大，转速越高。电磁转差离合器的机械特性如图 10.13 所示。改变励磁电流就可改变机械负载的转速。电磁转差离合器的优
11、点是设备简单、控制方便、可平滑调节。但其机械特性较软，稳速性能较差，调节范围较小，且低速时效率也较低。电磁离合器与异步电动机装成一体，称为滑差电机或电磁调速异步电动机。10.2 10.2 绕线式异步电动机调速绕线式异步电动机调速 10.2.1 10.2.1 绕线式异步电动机转子串入电阻调速绕线式异步电动机转子串入电阻调速 设转子绕组电阻为 ，分别串入电阻 时，其机械特性如图10.14 所示。若拖动恒转矩负载，且为额定转矩时，电动机的转差率由 分别变为 。显然，所串电阻越大，转速越低。已知电磁转矩 当电压一定时，基本是定值，而转子电流 维持额定值不变。推导如下。转子电流当转子电流保持不变时，必有
12、 （10-1）转子功率因数为 可见，转子串电阻调速属恒转矩调速。当福载转矩 时，根据（10-10）有 其中 分别是转子串入不同电阻 的转差率。此调速方法调速范围不大，负载小时调速范围更小。从异步电动机的功率有 上式表明欲扩大调速范围，必须增大转差率，这将使转子回路总铜秏增大，电机效率降低。转速越低，情况月严重。这种调速方式多用于低速运行时间不长、调速性能不高的场合。10.2.2 10.2.2 双馈电机调速双馈电机调速 绕线式异步电动机转子串电阻调速可提高启动力矩，但调速范围小，效率低。若采用双馈调速法，则效果较好。所谓双馈双馈，是指绕线式异步电动机定子绕组接一固定频率的工业电源，而转子绕组接一
13、电压幅值、频率、相位可按需要调整的电源，来调速。1.双馈电机的原理 双馈调速系统不仅能调节电机转速，还能改变电动机定子边的功率因数。当普通电动机带负载运行时，转子有功电流有效值为 为了简化分析，忽略转子漏电抗 ，当电压及负载转矩不变时，转子电流为常数，即 。绕线式异步电动机转子回路接外电源时，各物理量的正方向如图10.15所示。为了便于分析，用不带撇的符号表示折合过的物理量。下面分三种情况对其进行讨论。（1）转子外接电压）转子外接电压 与转子电动势与转子电动势 反向反向 见图10.16（a），刚加 时，合成电势减小，减小，电磁转矩减小，转子减速，转差率增大，当转差率增至 时，使等于原来的 时，
14、就能保持转子电流 不变，电磁转矩与负载转矩达到新的平衡，即低速运行。此情况下，转子电流为电机实际运行的转差率为由于空载运行时，s 值很小，由上式可得空载转差为 。可见，空载运行时也能调速。（2）转子外接电压 与转子电动势 同相（a）的情况，如图 10.16（b）刚加入 时，转子回路合成电势增大，增大，电磁转矩增加，转速增加，转子感应电势又减小，直至 等于原来的 ，电磁转矩与负载转矩达到新平衡，此时 ，电机转速升高。（b）的情况，见图 10.16（c）此时，的作用就能产生 ，使转子达到同步速，故 为零。（c）的情况，如图 10.16（d）这种情况下，转子电流为电机实际转差率为 ，空载运行时，s很
15、小，则有 同样能把电机转速调到高于同步速。（3）转子外接电压 与转子电动势 相位差 此时产生与转子合成电动势 同相的电流 ，包括有功电流 和无功电流 ，无功电流起到励磁的作用。如图 10.17 。已知定子电流为忽略定子边漏阻抗，将定子端电压 ，电流 都画在图10.17（a）中，可见，调节 可使定子边的功率因数得到改善。如果 与 的相位差为某一角度，如图10.17（b），可将分解成 和 两个分量，按上述方法分析。图10.17（b）为电机运行于次同步速的情况，既能调速，又提高了定子功率因数。2.异步电动机双馈调速系统的组成异步电动机双馈调速系统的组成 异步电动机双馈调速系统如图10.18 所示，其
16、中图（a）是交直交变频器供电，图（b）是交交变频器供电。因转子感应电动势的频率是随转速而变化的，因此要求任何转速下，变频器的输出电压 与转子感应电动势同频率。在绕线式异步电动机转轴上装上转子频率检测器，利用此信号去自动控制变频器输出电压 的频率，可达到转子频率自控的目的，避免了电机的失步现象。这种控制方式具有过载能力大、抗干扰能力强、定子功率因数可调，可拖动冲击性负载，如用于轧钢机中。双馈调速系统还能根据转轴上机械功率的流向，实现电动机运行或发电机运行，用于风力发电机中实现恒频发电。10.2.3 10.2.3 晶闸管异步电动机串级调速晶闸管异步电动机串级调速 图 10.19 是异步电动机内反馈
17、串级调速主电路。转子绕组接到整流桥的输入侧，整流后接到晶闸管逆变器的输入端，逆变器的输出接到异步电动机定子的反馈绕组（定子有两套绕组）。运行时，整流桥把异步机转子的转差电动势变成直流，再经逆变器将转差功率 经定子反馈绕组，送回交流电源。异步电动机转子的相电动势为 经三相整流后的直流电势为式中 为整流系数。逆变器直流侧的电动势为式中 为逆变系数，为逆变器二次侧相电压，为逆变系数。直流回路电流为 ，此式可写成忽略 R 值，上式变为 当整流器、逆变器都为三相桥式电路时，得转差率为由上式可知，改变逆变角的大小，就能改变转差率，进行调速。电网的输入功率为 P，异步电机输入的有功功率为 ，电磁功率为 。电
18、磁功率中一部分为转差功率 ，另一部分为机械功率 。转差功率中，一部分作转子铜耗，另一部分减去整流器、逆变器、电抗器的损耗 就是回馈给电网的功率 ，即 。电网送给异步电动机的功率为 ，总效率为 。图 10.18是串级调速功率流程图。低速运行时，转差功率较大，大部分动率回馈给电源，总效率较高。10.3 10.3 同步电动机调速同步电动机调速 由同步电动机、变频器、磁极位置检测器和控制器组成的调速系统称为自控式同步电动机调速系统，如图10.21所示。图中MS是同步电动机，PS 是位置检测器。改变自控式同步电动机的电枢电压，即可调节其转速，类似直流电机的调速特性且不需要机械式换向器，亦称无刷直流电机。
19、10.3.1 10.3.1 交直交电流型自控式同步电动机交直交电流型自控式同步电动机 图10.22 是交直交电流型自控式同步电动机原理图。其主电路是由整流桥、逆变桥和平波电感器组成，使用的电力半导体器件 均为晶闸管。通过整流桥将工频整流为可控直流，再由逆变器转变为频率可调的交流交流电，供同步电动机实现调速。其特点有：结构简单，使用晶闸管少，控制方便，能适应 恶劣的环境及高压大容量高转速的系统；能实现无级调速，调速范围为10:1，并能四象限运；能实现恒流启动，启动方便、平稳。但低速采用断续换流，低速性能差，且过载倍数小。10.3.2 10.3.2 交直交电压型自控式同步电动机交直交电压型自控式同
20、步电动机 图 10.23 为交直交电压型自控式同步电动机原理图。图中MS为永磁同步电动机，主电路由三相不控整流桥、滤波电感及电容和大功率晶体管逆变器组成。整流桥将工频电转换成恒定的直流电压，滤波后送晶体管，用脉宽调制法经逆变器产生波形接近方波或正选波的电压，进行调速。该方法有如下特点：逆变桥采用自关断器件，结构更简单，控制灵活；调速范围宽，可达3000:1 或更高；永磁同步电机转子无损耗，效率高，不发热，不导热。适用于高性能伺服系统，一般称为无刷直流电机。10.3.3 10.3.3 交交电压型自控式同步电动机交交电压型自控式同步电动机 图 10.24 为交交电压型自控式同步电动机原理图。主电路由三个两组反并联的连接的变频器组成，即循环变流器，可提供三相正弦形电压。其输出频率在 电源频率以下。其特点如下：其结构复杂，控制也复杂；电机只能在 同步速以下调速；电机的功率因数可达 1，且过载倍数大。多用于钢厂的初轧机或连轧机上。第十章完人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说“书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进。
